華東師範大學：基于β-Ga2O3的可穿戴紫外探測器
【研究背景】
半導體材料的光電耦合特性及其資訊功能器件一直是凝聚态實體領域的國際前沿和研究熱點。作為第三代半導體的典型代表，β-Ga2O3穩定性好，具有約4.9 eV (253nm)的超寬光學帶隙，在紫外-可見-近紅外(UV-NIR)區域具有高透過率等特性，可以廣泛應用于高功率器件以及紫外光電探測器等。是以，它們能夠有效地屏蔽太陽輻射和人造光源帶來的影響，非常适用于制備日盲紫外光電探測器。特别地，随着新型冠狀病毒肺炎的快速傳播，UVC(100-280nm，日盲波段)殺菌裝置被廣泛應用于公共場所的消毒殺菌。盡管報道表明UVC能夠通過破壞其DNA的方式殺死病毒，但是直接暴露于UVC可能會導緻健康問題，如皮膚損傷和視網膜損傷等。是以，監測環境中的UVC輻射十分必要，日盲紫外光電探測器(SBPD)能夠及時有效地檢測到UVC輻射。這樣β-Ga2O3因其超寬的帶隙成為制備SBPD的有力候選材料之一。然而，在傳統基片(如藍寶石、矽等)上設計的SBPD無法滿足便攜、可穿戴和可彎曲等新的需求。是以，設計和制備可穿戴的柔性日盲紫外探測器件迫在眉睫。
【成果簡介】
近日，華東師範大學實體與電子科學學院胡志高教授、張金中副研究員團隊開展了基于壓印轉移氧化镓薄膜的柔性日盲紫外光電探測器的應用研究，該器件具有低暗電流(~1.7pA)、高開關比(>103)、快的上升(τr1 = 0.079s和τr2 = 0.413s)和下降(τd1 = 0.029s和τd2 = 0.316s)響應時間等性能。在此基礎上該團隊制備了基于氧化镓SBPD的柔性圖像傳感器，其表現出良好的成像能力和高分辨率。此外，設計制造的UVC報警器能夠實時監測環境中的UVC輻射，有望應用于COVID-19相關領域。另外，該課題組前期還開展了p型氧化镓薄膜的研究工作。具體地，通過優化氧分壓制備了Mg摻雜的β-Ga2O3-δ薄膜并構築了SBPD器件，具有優異的探測器性能。相關成果分别以“Flexible Solar-Blind Photodetectors Based on β-Ga2O3Films Transferred by a Stamp-Based Printing Technique”和“High Quality P-Type Mg-Doped β-Ga2O3-δFilms for Solar-Blind Photodetectors”為題連續發表在國際著名期刊《IEEE Electron Device Lett.》上(DOI: 10.1109/LED.2022.3207314)和(DOI: 10.1109/LED.2022.3151476)。
【圖文介紹】
圖1. (a) 采用PLD技術在(100)Si襯底上沉積β-Ga2O3薄膜的生長流程示意圖。(b) 從Si襯底轉移β-Ga2O3薄膜到PET襯底上的工藝流程圖。β-Ga2O3/Si和β-Ga2O3/PET和a-Ga2O3/PET的 (c) XRD譜和 (d) XPS全譜。(e) 轉移前和 (f) 轉移後β-Ga2O3薄膜的原子力顯微鏡圖像(掃描範圍：2um×2um；高度範圍：0-25nm)。
圖2.(a) 基于β-Ga2O3/PET的柔性SBPD的響應光譜。插圖：器件的顯微鏡照片。(b) 器件的光電流和響應度随着照明功率密度的變化。所制備的上述器件 (c) I-V和 (d) I-t曲線。基于a-Ga2O3/PET的柔性SBPD的 (e) I-V和 (f) I-t曲線。
圖3.(a) 基于β-Ga2O3/PET的柔性SBPD在不同彎曲角度(0、60、120和180°)的照片。(b) 器件在10V下，不同彎曲角度的I-t曲線。(d) 器件的疲勞測試。
圖4.(a) 柔性成像傳感器陣列的照片。(b) 在UVC照明下，光通過上方掩模版，下方“ECNU”顯示了從傳感器陣列擷取的相應圖像。(c) 基于β-Ga2O3/PET的柔性SBPD的可穿戴UVC報警器的電路圖。當UVC (d) 關閉和 (e)打開時，報警器在衣服上相應的照片。
